田振玲

[摘 ? ?要]針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在實際應用中無法有效提高通風機運行效率問題，開展基于變頻技術(shù)的煤礦通風自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究。通過基于變頻技術(shù)的操作臺設(shè)計、PLC控制柜設(shè)計等硬件設(shè)計和礦井內(nèi)部通風需求量計算、基于變頻技術(shù)的不間斷通風控制等軟件設(shè)計，提出一種全新的控制系統(tǒng)。通過實驗證明，新的控制系統(tǒng)能夠有效提高通風機運行效率，實現(xiàn)2 4h不間斷運行，同時提出了相應的補充措施，提高通風效果。

[關(guān)鍵詞]變頻技術(shù);煤礦通風;自動控制

[中圖分類號]TD724 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Aiming at the problem that the traditional control system cannot effectively improve the operation efficiency of the ventilator in practical application， the design and research of coal mine ventilation automatic control system based on frequency conversion technology is carried out. Through hardware design such as frequency conversion technology-based console design， PLC control cabinet design and other hardware design， calculation of mine internal ventilation demand， and software design of uninterrupted ventilation control based on frequency conversion technology， a brand-new control system is proposed. Experiments have shown that the new control system can effectively improve the operating efficiency of the ventilator and achieve 24-hour uninterrupted operationAt the same time， the corresponding supplementary measures are put forward to improve the ventilation effect.

[Keywords]frequency conversion technology; coal mine ventilation; automatic control

當前，通風機的應用十分廣泛，主要應用于工廠、礦井、隧道等需要進行通風、排塵的工作環(huán)境當中。在進行煤礦開采和生產(chǎn)的過程中，通風機承擔著將新鮮的空氣傳輸?shù)降V井當中，將各類有毒氣體和粉塵排放的重要任務。因此，通風機的運行，對于整個煤礦開采而言都有著至關(guān)重要的作用。由于通風機設(shè)備在煤礦開采的過程中具有一定的特殊性，當出現(xiàn)短暫停風的現(xiàn)象時，則會引起煤礦內(nèi)瓦斯氣體的爆炸，造成十分嚴重的煤礦開采事故，因此煤礦通風機必須保持全天候地不間斷工作?；谶@一特點，設(shè)計一種能夠安全、有效、實時地通風自動控制系統(tǒng)，以此保障煤礦開采和生產(chǎn)的安全是一項重要的研究課題。傳統(tǒng)煤礦通風控制系統(tǒng)在實際應用中，由于存在控制精度低、大量能源浪費、故障判斷依靠操作人員經(jīng)驗判斷等問題，因此存在著較大的安全隱患，威脅煤礦安全生產(chǎn)?；诖耍疚慕Y(jié)合變頻技術(shù)對煤礦通風自動控制系統(tǒng)進行設(shè)計研究。

1 煤礦通風自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

變頻技術(shù)是一種把直流電逆變成不同頻率交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)。它可把交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電后再把交流電變成直流電。其工作原理是將三相380 V（220 V）/50 Hz交流電通過整流橋整流變成脈動直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對IPM、IGBT或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。

1.1 基于變頻技術(shù)的操作臺設(shè)計

考慮到煤礦通風機運行的需要，本文將系統(tǒng)中的操作臺設(shè)計為一個主臺和兩個輔臺結(jié)構(gòu)。在主臺結(jié)構(gòu)上配備觸摸屏和兩臺通風機啟動按鈕，在輔臺結(jié)構(gòu)上放置兩臺型號規(guī)格均相同的工控裝置。為了確保在出現(xiàn)短時間停低壓電源的情況下，本文系統(tǒng)依然能夠保持平穩(wěn)運行，本對操作臺的配電結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如圖1所示。

操作臺作為本文系統(tǒng)的核心硬件，對于各類設(shè)備的控制主要通過按鈕和旋轉(zhuǎn)開關(guān)控制，通過開關(guān)和按鈕更方便地對多臺通風機以及相關(guān)輔助設(shè)備進行起?？刂?。本文在對操作臺進行設(shè)計時，考慮到變頻技術(shù)的應用需要，當選擇操控臺控制時，通過端子將變頻裝置的控制方式轉(zhuǎn)換為端子控制，此時變頻裝置的控制端口為干節(jié)點，只能夠通過無源開關(guān)量信號完成對變頻控制的啟動和停止。

1.2 PLC控制柜設(shè)計

基于煤礦通風自動控制系統(tǒng)需要，為確保實現(xiàn)對煤礦通風機的全天候自動控制，本文引入PLC控制柜結(jié)構(gòu)。當系統(tǒng)當中某一單元出現(xiàn)問題，則通過PLC控制柜對備用單元進行切換，以此實現(xiàn)通風機的不間斷運行，從而提高本文系統(tǒng)的可靠性。本文選擇S8-150H型PLC控制柜，該型號PLC控制柜當中包含了兩個416-3HCPU，其所有重要部件都為冗余配置，能夠自動將出現(xiàn)故障的單元中斷。當本文系統(tǒng)中某一單元出現(xiàn)故障時，備用單元與該單元自動同步建立連接，并由PLC控制柜中的CPU發(fā)出相應的Link請求，將所有相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU當中。由于本文系統(tǒng)在實際應用中可能會出現(xiàn)利用模擬量輸出進行變頻裝置頻率調(diào)節(jié)的控制，因此在對PLC控制柜進行設(shè)計時，還選用將6ES8325-4JD05的雙通道模擬輸出模塊作為備用。利用該模塊將數(shù)字量的控制信號轉(zhuǎn)換為通風機能夠自動識別的標準電流和電壓信號，以此實現(xiàn)對通風機的控制。

2 煤礦通風自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 礦井內(nèi)部通風需求量計算

根據(jù)2011版《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，礦井需要的風量分別按井下同時工作的最多人數(shù)計算和按采煤、掘進、硐室及其他用風地點實際需要風量的總和進行計算，并取其中的最大值。

在利用本文系統(tǒng)完成對煤礦通風機的控制時，首先應當確定在不同煤礦開采項目當中礦井內(nèi)通風需求量。結(jié)合一般煤礦開采要求，分別對礦井內(nèi)部通風需求量、局部通風機吸風量、采煤工作面的需風量進行計算。其中礦井內(nèi)部通風需求量計算公式為：

式（1）中：M表示礦井內(nèi)部通風需求量，礦井內(nèi)部通風需求量表示為煤礦礦井內(nèi)需風量備用系數(shù);x為礦井空氣密度;ms表示主通風機開采工作面上的通風需求量;ms'表示備用通風機的開采工作面通風需求量;mi表示獨立風流通量;mr表示礦井內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)上的通風需求量。

按工作面最多人員數(shù)量計算采煤工作面的需風量為：

Q綜合=γNc （2）

式中：γ為每分鐘單人所需最低風量，m3/min;Nc為采煤工作面同時工作的最大人數(shù)。

局部通風機吸風量為：

Q掘=Qf×Ii×Kf （3）

式中：Qf為掘進工作面局部通風機額定風量;Ii為掘進工作面同時運轉(zhuǎn)的局部通風機臺數(shù);Kf為局部通風機吸循環(huán)風的風量備用系數(shù)，一般取值1.2～1.3。

根據(jù)上述公式，完成對礦井內(nèi)部通風需求量的計算，為通風機控制提供依據(jù)。

2.2 基于變頻技術(shù)的不間斷通風控制

由于本文在對系統(tǒng)進行設(shè)計時，要求通風機能夠保持24 h不間斷地運行，因此考慮到不同煤礦開采的不同狀態(tài)，本文引入變頻技術(shù)，對通風機進行控制。變頻技術(shù)主要是針對礦井通風機的電動機進行調(diào)速處理，其調(diào)速過程主要由三大類：

（1）改變電動機的磁極對數(shù)，即當電源頻率一定時，電動機轉(zhuǎn)速近似與磁極對數(shù)成反比，磁極對數(shù)增加一倍，轉(zhuǎn)速近似地減小一半，公式為：

（2）改變轉(zhuǎn)差率，在繞線型電動機回路里可以串聯(lián)調(diào)速電阻，在恒轉(zhuǎn)矩負載下，轉(zhuǎn)子回路電阻增大，轉(zhuǎn)速下降。

（3）改變電源頻率，主要借助變頻技術(shù)的變頻器，可以使交流電源的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，從而使交流電動機的轉(zhuǎn)速能夠從低速到高速都保持高效寬范圍和高精度的調(diào)速性能。

在本文系統(tǒng)當中包括操作臺運行模式和上位機操作運行模式兩種，其中上位機操作運行模式主要通過人為控制的方式，由負責人員在上位機當中通過發(fā)送控制指令實現(xiàn)對通風機控制。操作臺運行模式，主要是將變頻裝置產(chǎn)生的頻率信號通過本文上述設(shè)計的操作臺，對滑動變阻器給定一個數(shù)值，實現(xiàn)變頻控制。當滑動變阻器的阻值為0～12 k時，此時由變頻裝置將相應的電阻轉(zhuǎn)換為兩路標準的電流信號，以此實現(xiàn)對變頻裝置的頻率控制，進而控制通風機的不同運行狀態(tài)。

3 對比實驗

為了驗證本文提出的基于變頻技術(shù)的煤礦通風自動控制系統(tǒng)在實際應用中的可行性，避免在投入使用后出現(xiàn)故障問題影響煤礦開采現(xiàn)場施工進度，本文將該系統(tǒng)投入使用前，首先對其運行效果進行實驗，為確保實驗結(jié)果具有可對比性，選擇將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的運行參數(shù)作為對比，完成如下對比實驗：

為確保實驗結(jié)果的客觀性，對于兩種系統(tǒng)當中的PLC裝置、操作臺、通風裝置等均采用相同的設(shè)備型號完成。選擇將某煤礦通風機裝置作為實驗對象，分別利用本文提出的控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對該通風機進行24 h不間斷控制，對比兩種系統(tǒng)控制下通風機的運行效率，見表1。

由表1可知，在本文系統(tǒng)控制下通風機的運行效率均超過1 000 m3/d;而傳統(tǒng)系統(tǒng)控制下通風機的運行效率均小于1 000 m3/d，甚至在第3天到第5天只能達到500 m3/d左右。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于變頻技術(shù)的煤礦通風自動控制系統(tǒng)在實際應用中能夠有效提高通風機的運行效率，實現(xiàn)對通風機的24 h不間斷控制和運行，確保煤礦開采和生產(chǎn)的安全。

4 補充措施

在對煤礦通風自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)通風系統(tǒng)即通風方式，為保證井下個工作長所須有足夠的新鮮風量，并降低通風費用，提出相應的應急情況應對措施，提高通風效果。

（1）礦井下巷道建議在支護條件許可的情況下，優(yōu)先采用錨噴支護或砌碹支護;

（2）井下巷道布置盡量減少斷面的變化，需要變斷面處，盡量避免忽大忽小的急劇變化，巷道相交處盡量設(shè)計成平滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，以利風流順利通過;

（3）井下每組風門最小設(shè)兩道，并保證安裝質(zhì)量，以防人員，車輛通過時引起風流短路;

（4）對采動影響造成的巷道裂縫及時用水泥砂漿充填，減少漏風;

（5）及時密閉已采的區(qū)域即回采的工作面，減少向采空區(qū)內(nèi)漏風。

5 結(jié)束語

基于通風機裝置的重要作用，開展基于變頻技術(shù)的煤礦通風自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究，通過研究提出一種全新的控制系統(tǒng)，并結(jié)合實驗論證的方式證明了該系統(tǒng)的實際應用效果。由于研究能力有限，本文系統(tǒng)當前無法實現(xiàn)對不同工況下礦井空氣氣壓的有效提升，因此在后續(xù)研究中還將對此進行更加深入的探究。

參考文獻

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